Paramètres des matériaux piézoélectriques et des équations piézoélectriques (3)

(11) Facteur de qualité mécanique QM

Quand lePZT MATÉRIAUX PIEZO Céramiqueest utilisé pour les vibrations de résonance, il est nécessaire de surmonter la perte de friction mécanique interne (consommation interne), et lorsqu'il y a une charge, il est nécessaire de surmonter la perte de charge externe. Le facteur de qualité mécanique QMO (valeur Q mécanique sans charge) est lié à ces pertes mécaniques. Et QM (valeur Q mécanique sous charge). Il est défini comme: QM = énergie mécanique stockée par le vibrateur piézoélectrique à la résonance / énergie mécanique perdue pendant la période de résonance. Il reflète la quantité d'énergie consommée par le corps piézoélectrique pour surmonter la perte mécanique lorsqu'il est vibrant. Un QM plus grand signifie moins de perte d'énergie mécanique. L'existence de QM indique également qu'il est impossible pour un matériau piézoélectrique d'utiliser toute l'énergie mécanique d'entrée pour la sortie. À la résonance: qm = (π / 2) [zc / (zl-zb)], où Zc est l'impédance acoustique du vibrateur piézoélectrique; ZL est l'impédance acoustique de la charge; ZB est le bloc d'amortissement dans l'impédance acoustique du transducteur piézoélectrique. Pour un transducteur piézoélectrique, son QM et QE ne sont pas constants. Ils sont liés à la fréquence de fonctionnement, à la bande passante de fréquence, au processus de fabrication, à la structure et au milieu de rayonnement (charge) du transducteur piézoélectrique. Sur le transducteur piézoélectrique utilisé dans la technologie de détection par ultrasons, lorsque le QM est trop élevé, il est facile de rendre la forme d'onde de vibration générée par le vibrateur trop long (phénomène de sonnerie), entraînant une distorsion de la forme d'onde et une résolution plus faible. De même, le QE n'est pas de plus en plus grand. Le choix et la détermination du QM et du QE doivent être décidés en fonction des besoins réels. Une grande valeur Q signifie que la consommation d'énergie est faible pendant l'effet piézoélectrique. Il peut réduire la quantité de chaleur générée dans le cas d'applications de haute puissance et de haute fréquence ou de puissance de transmission pure, ce qui est un avantage. Cependant, à des fins de transducteur de détection, une grande valeur Q est désavantageuse pour élargir la bande de fréquence, améliorer la forme d'onde et augmenter la résolution. De plus, comme la valeur Q change également avec la nature de la charge (par exemple, le milieu de charge face à la sonde d'immersion d'eau et la sonde de méthode de contact est différente), l'influence du milieu de charge doit également être prise en compte lors de la conception le transducteur (impédance du rayonnement).

(12) Coefficient de couplage électromécanique k
Il s'agit d'un paramètre important pour examiner les matériaux piézoélectriques du point de vue de l'énergie. Sa définition est pendant l'effet piézoélectrique positif, la tension externe E = 0, et il y a: k2 = énergie électrique stockée dans le corps piézoélectrique dans les conditions idéales idéales. L'apport d'énergie mécanique totale dans le corps piézoélectrique dans les conditions, ou dans d'autres Mots: K2 = L'énergie mécanique convertie qui fait bouger la charge entre les électrodes connectées / l'énergie mécanique d'entrée qui suit la contrainte appliquée, la contrainte externe τ pendant l'effet piézoélectrique inverse = 0, oui: k2 = énergie mécanique stockée dans l'on Corps piézoélectrique dans des conditions idéales / entrée d'énergie électrique totale dans le corps piézoélectrique dans des conditions idéales ou: k2 = énergie électrique convertie provoquant une déformation mécanique / entrée d'énergie électrique sous des transistors sous pression a l'élasticité, la diélectricité et la piézoélectricité en même temps, et ils travaillent ensemble. Pour cette raison, il est nécessaire d'introduire cette quantité physique pour voir ces caractéristiques de manière unifiée, ce qui indique le degré de résistance au couplage entre l'énergie mécanique et l'énergie électrique. Dans un sens physique, il ne décrit que la conversion et ce n'est pas une efficacité égale, et l'énergie convertie peut ne pas être complètement convertie en énergie rayonnée ou en sortie (y compris la consommation interne et la rétroaction, etc.). Bien sûr, dans un sens, on peut également dire que le coefficient de couplage électromécanique K représente la \"efficacité \" du corps piézoélectrique convertissant l'énergie électrique en énergie élastique, ou convertissant l'énergie élastique en énergie électrique. Il est principalement déterminé par le type de matériau piézoélectrique. Cela dépend également du mode de vibration du corps piézoélectrique, mais n'a rien à voir avec la valeur de la fréquence résonante du transducteur. De plus, la valeur k dépend également de la structure du transducteur piézoélectrique, des conditions de fonctionnement et de la taille et de la position de l'électrode du corps piézoélectrique. Nous pouvons diviser la densité d'énergie U (énergie dans un volume unitaire) de matériaux piézoélectriques en trois parties, l'une est la densité d'énergie élastique, l'une est la densité d'énergie du champ électrique (densité d'énergie diélectrique), et l'une est la densité d'énergie de l'interchange piézoélectrique UM (omet thermique et éléments d'énergie magnétique).

La première partie ici est la partie mécanique de l'énergie élastique mécanique du matériau, la deuxième partie deComponnets à anneaux piézocéramiquesest l'énergie électrique partielle du champ électrique, et la troisième partie est la densité d'énergie de l'interaction entre l'énergie élastique et l'énergie diélectrique. L'énergie interne totale est: u = ue + ud + 2um. Étant donné que l'énergie piézoélectrique est une énergie interchangeable, elle est doublée. Par conséquent, nous pouvons définir le coefficient de couplage électromécanique d'une autre manière: k = um / (ueud) 1/2. Ou: k = valeur moyenne géométrique de l'énergie piézoélectrique / énergie élastique et énergie diélectrique. La raison du choix de la valeur moyenne géométrique de l'énergie élastique et de l'énergie diélectrique est de considérer la distribution d'énergie inégale de chaque petite partie du cristal piézoélectrique. De cette façon, nous pouvons dire que le rapport de l'énergie qui peut être converti piézoélectrique dans un volume unitaire de matériau piézoélectrique est le coefficient de couplage électromécanique. Par exemple, UD et UE ne peuvent pas être convertis piézoélectriques, mais ce n'est pas une perte d'énergie. Pour les matériaux spécifiques, tels que le quartz, la perte d'énergie est petite et l'efficacité de conversion est très élevée, mais son coefficient de couplage électromécanique est inférieur à celui de la céramique piézoélectrique, tandis que l'efficacité de conversion de la céramique piézoélectrique n'est pas élevée. Une grande partie peut être convertie piézoélectrique, ce qui signifie que son coefficient de couplage électromécanique est élevé. De là, nous pouvons reconnaître la différence entre le coefficient de couplage électromécanique et l'efficacité. Le coefficient de couplage électromécanique est un rapport d'énergie, sans dimension et sa valeur maximale est de 1, lorsque k = 0, cela signifie qu'aucun effet piézoélectrique ne se produit. Les coefficients de couplage électromécaniques communs sont les suivants:

(1) Coefficient de couplage électromécanique KP pour les vibrations radiales (également connu sous le nom de coefficient de couplage électromécanique planaire): reflète l'effet de couplage électromécanique d'un mince cristal piézoélectrique en forme de disque lorsqu'il est soumis à une vibration télescopique radiale, à condition que le diamètre de la farine soit ≥3 fois l'épaisseur de la tranche t, sa direction d'épaisseur est la direction de polarisation et la direction du champ électrique appliqué.

(2) Vibration transversale (vibration de longueur transversale) Coefficient de couplage électromécanique K31 reflète l'effet de couplage électromécanique lorsque le cristal piézoélectrique en forme de feuille long est l≥3 fois. La largeur et l'épaisseur des flocons.

(3) Electromechanical coupling coefficient K33 of longitudinal vibration (longitudinal length vibration): reflects the electromechanical coupling effect of telescopic vibration along the length direction when the slender rod-shaped piezoelectric crystal is polarized in the thickness direction, and the electric field direction is the Identique à la direction de polarisation. La condition est une largeur de tige et une épaisseur ou un diamètre avec une longueur l≥3 fois.

(4) Coefficient de couplage électromécanique KT d'épaisseur Vibration: reflète l'effet de couplage électromécanique des cristaux piézoélectriques en forme de feuille polarisés dans la direction de l'épaisseur et la direction du champ électrique est également dans la direction de l'épaisseur. La condition est que l'épaisseur de la tranche est plus petite que la longueur latérale ou le diamètre de la tranche.

(5) Coefficient de couplage électromécanique de la vibration de cisaillement d'épaisseur K15: Il reflète l'effet de couplage électromécanique de la vibration de cisaillement d'épaisseur du cristal piézoélectrique.

En résumé, nous pouvons conclure que les principaux principes de sélection lors de la sélection des matériaux piézoélectriques pour fabriquer des transducteurs piézoélectriques dans les applications pratiques des tests ultrasoniques sont les suivants: (1) Plus la valeur de D33 - D33 est grande, plus les performances des émissions sont élevées. . De toute évidence, lorsque vous fabrique un transducteur d'émission, il est préférable de choisir un matériau avec une valeur D33 aussi grande que possible; (2) Plus la valeur de G33 - G33 est grande, meilleure est la performance de réception. De toute évidence, si vous souhaitez faire un transducteur de réception, vous devez choisir un matériau avec une grande valeur de G33 autant que possible; Lorsque vous devez faire un transducteur qui combine à la fois la transmission et la réception, en tant que considération complète, vous devez également choisir une valeur proche et aussi grande que D33 et G33. (3) Impédance acoustique Z (z = ρc) considérant que la réflectance et la transmittance des ondes ultrasoniques sont liées à la différence d'impédance acoustique entre le milieu. La plus petite différence d'impédance acoustique est la transmittance ultrasonique plus élevée. Afin de faire autant d'ondes ultrasoniques que possible à partir du transducteur piézoélectrique entre dans le milieu de test, un matériau piézoélectrique dont l'impédance acoustique est aussi proche que possible de l'impédance acoustique du milieu de contact doit être sélectionnée. Il convient de noter que l'existence du champ électrique affectera la vitesse du son apparente dans le matériau piézoélectrique, et même l'impédance acoustique du matériau piézoélectrique changera dans l'état de travail. (4) Coefficient de couplage électromécanique KT de vibration d'épaisseur Dans la technologie de détection ultrasonique, l'application la plus importante est la puce piézoélectrique de type d'épaisseur, donc plus la valeur de KT est grande, plus les performances de conversion électromécanique, que la sensibilité du transducteur est plus élevé. (5) Coefficient de couplage électromécanique KP de vibration radiale - Lorsque la puce piézoélectrique effectue des vibrations d'épaisseur, il y a aussi des vibrations radiales en même temps, ce qui interfère avec les vibrations d'épaisseur et provoque une distorsion de la forme d'onde, une augmentation ou une augmentation du bruit, etc. On espère que la valeur KP devrait être aussi petite que possible. En général, plus la valeur KT / KP est grande, mieux c'est.

(6) Constante diélectrique ε - La tranche piézoélectrique forme un condensateur après que les électrodes sont enduites, et sa capacité est conforme à C = εa / t, c'est-à-dire la constante diélectrique ε, la zone relative A des électrodes, et l'espacement des électrodes (épaisseur de la tranche) T liée. Dans le circuit, une petite capacité signifie une grande réactance capacitive, qui convient à une utilisation comme élément piézoélectrique haute fréquence. En particulier, le transducteur de détection par ultrasons fonctionne principalement dans la gamme de fréquences mégahertz, il est donc nécessaire que le ε du matériau piézoélectrique soit plus petit. Inversement, lorsqu'il est utilisé pour fabriquer des composants piézoélectriques à basse fréquence (tels que les haut-parleurs et les microphones dans la gamme audio), un matériau avec un grand ε doit être sélectionné pour répondre aux exigences de correspondance de grande capacité et de réactance capacitive faible. Il convient de noter que la valeur de ε est également liée à la liberté mécanique du transducteur, c'est-à-dire que les constantes diélectriques de l'état de serrage mécanique et de l'état libre mécanique sont différents, il existe donc des différences entre εe et ετ. De plus, la relation entre ε et la fréquence est également plus sensible, de sorte que la valeur ε doit être mesurée à l'état de la fréquence de fonctionnement spécifique. Cela signifie que les plaquettes piézoélectriques de la même épaisseur ont une fréquence de résonance plus élevée, ou l'épaisseur de la tranche est plus grande à la même fréquence de résonance, ce qui est pratique pour le traitement et la fabrication de composants à haute fréquence. Par conséquent, un matériau avec une valeur NT plus grande doit être sélectionné.

(8) Ferroélectrique Curie Point TC - Le cristal ferroélectrique n'a que la ferroélectricité dans une certaine plage de températures. Lorsque la température atteint le point de curie ferroélectrique, le cristal perdra la ferroélectricité et les propriétés diélectriques, piézoélectriques, optiques, élastiques et thermiques sont toutes anormales. La plupart des ferroélectriques n'ont qu'un seul point de curie, mais quelques ferroélectriques ont des points de curie supérieurs et inférieurs, et ils n'ont que la ferroélectricité uniquement dans la plage de température entre les points de curie supérieur et inférieur. Par exemple, le point de titanate de zirconate de plomb supérieur supérieur est de 115-120 ° C et le point de curie inférieur est de -5 ° C si un titanate de calcium à 5% est ajouté au titanate de baryum, le point de curie inférieur peut atteindre -40 ° C. . De plus, certains ferroélectriques n'ont pas de point de curie, comme certains matériaux piézoélectriques en polymère spécial (car ils ont fondu ou même brûlé lorsqu'ils atteignent une certaine température).

Il convient de noter que lorsque la température réelle n'a pas atteint le point Curie, les performances de nombreux transducteurs piézoélectriques (comme KT, etc.) ont considérablement diminué ou détérioré (par exemple, la sonde de titanate de baryum se détériore à 60-70 ° C ) De plus, la température la plus élevée à laquelle elle peut fonctionner n'est pas égale à la possibilité de résister aux changements de température soudains, qui est causé par l'existence de l'anisotropie, y compris le coefficient d'expansion thermique. Par conséquent, dans le cas de températures plus élevées telles que le soudage d'électrode et le chauffage lors de la déversement du bloc d'absorption pendant l'utilisation réelle du transducteur et le processus de fabrication du transducteur, lors de la sélection d'un matériau piézoélectrique, une considération spécifique doit être accordée au fonctionnement du fonctionnement conditions du transducteur.

(9) Facteur de qualité mécanique QM et facteur de qualité électrique QE-in Applications pratiques, si les valeurs QM et QE sont importantes, il y aura un phénomène \ sonne détection. La situation survient. Par conséquent, à partir des besoins de la technologie de détection, afin de vraiment refléter les caractéristiques du signal d'écho et de s'assurer que la résolution de détection répond aux exigences de détection, QM et QE ne devraient généralement pas être trop importants. En plus de prendre en considération lors de la sélection des matériaux, lorsque les transducteurs de conception et de fabrication, la fréquence, le QM et les valeurs QE doivent être réduits de manière appropriée en augmentant l'amortissement sur la structure et en modifiant l'impédance sur le circuit. Bien sûr, la réduction des valeurs QM et QE se fait au détriment de la sensibilité (puissance de sortie réduite). Par conséquent, la valeur Q appropriée doit être sélectionnée et ajustée en fonction des besoins de l'application réelle (selon l'expérience, la valeur Q réelle du transducteur de détection à ultrasons ne doit pas être supérieure à 10).

(10) Performance vieillissante des matériaux piézoélectriquestube de cylindre piézocéramique-Les propriétés piézoélectriques des matériaux piézoélectriques polarisés auront des changements irréversibles avec le temps. Ce phénomène est appelé \"vieillissement \", tel que la constante diélectrique, les pertes diélectriques, les constantes piézoélectriques, les coefficients de couplage électromécanique et l'élasticité diminuent généralement avec le temps, et les constantes de fréquence et les valeurs mécaniques Q augmentent avec le temps. Le changement de ces paramètres est essentiellement linéaire avec la valeur logarithmique du temps. Il est généralement considéré comme une unité de dix ans, qui est appelé \"vieillissement à dix ans \". De toute évidence, cet indice reflète la stabilité du temps des matériaux piézoélectriques. Lors de la fabrication de transducteurs piézoélectriques, il faut également tenir compte du fait de sélectionner des matériaux avec une meilleure stabilité du temps. Sur un transducteur ultrasonique spécifique, ce phénomène de vieillissement se manifestera spécifiquement dans la sensibilité, l'occupation initiale des ondes et le niveau de bruit électrique. Par conséquent, l'attention devrait également être accordée à l'effet du vieillissement sur l'achat et le stockage du transducteur.

(11) Stabilité thermique des matériaux piézoélectriques - cela fait référence aux propriétés piézoélectriques des matériaux piézoélectriques qui sont constants ou non dégradés après une période de fonctionnement continu dans une certaine plage de température en dessous du point de curie, en particulier pour les environnements à haute température. Le transducteur de travail. doit être sélectionné parmi les matériaux avec une bonne stabilité thermique.
Les 11 éléments ci-dessus sont les principales considérations et principes de sélection lorsque nous choisissons des matériaux piézoélectriques pour fabriquer des transducteurs de tests à ultrasons. Nous devons considérer et sélectionner de manière approfondie en fonction de l'application et des besoins spécifiques.